基于輪廓檢測與目標定位的DICOM圖像分析測量系統

趙衛東　程茂軍

摘要：針對由于DICOM圖像的復雜性導致圖像目標測量不準確的問題，文章在三維圖像數據的基礎上，開發了相應的目標定位和距離測量算法，設計了一種利用輪廓檢測和目標定位的方法來分析和測量DICOM圖像。首先，通過CT設備獲取原始圖像數據，并分析原始數據的結構特征，使用開源圖像庫ITK解析DICOM圖像，將其讀取到系統軟件的內存中，并在自主開發的軟件界面上顯示。其次，對DICOM圖像進行輪廓檢測，確定目標所在幀。然后，結合分水嶺算法和水平集分割算法，設計了定位模型，完成目標的定位和測量，并輸出定位的圖像結果。最后，利用QT開發平臺實現了測量和定位算法以及相應的軟件功能。測試結果表明：與當前的DICOM圖像測量技術方案相比，文章所提方法具有更高的測量和定位準確度。

關鍵詞：輪廓檢測，DICOM圖像，分水嶺，距離測量，ITK

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9545（2023）03-0058-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.03.012

隨著醫學影像技術的不斷發展，DICOM圖像在醫學診斷和研究中被廣泛使用，它具有較高的分辨率和質量，在醫學影像測量方面具有很大的潛力。在傳統的醫學影像測量方法中，人工標注和測量是一個極其復雜和耗時的過程，并且容易受到人為因素的影響。基于輪廓檢測和目標定位的DICOM圖像測量方法利用了圖像處理和計算機視覺技術，通過對圖像輪廓的檢測和目標特征的定位，實現了圖像的自動測量。這種測量方法不僅可以為臨床診斷和治療提供科學依據，還可以為圖像測量領域的發展提供新的思路。

近年來，在DICOM圖像顯示與測量領域方面的研究，已經取得了一些進展和成果。比如，王陽^[1]對圖像脫敏處理，基于Python實現了CT圖像批處理系統，基于PyQt實現可視化界面效果，解決了一些測量問題，但是缺乏軟件工程可用性，往往不能應用于實際工作場景中。吳志福^[2]等人，調研醫院科室工作流程后，結合醫院實際需求，采用C/S模式開發了一個數字化軟件，完成醫院影像數據的存儲、傳遞和顯示，在一般情況下測量效果較好，但是由于系統基于幾何測量算法，往往缺乏靈活性，且缺乏推廣性。吳鵑^[3]設計的DICOM圖像分析測量系統，通過對DICOM圖像進行三維化處理，結合拉普拉斯增強算法與伽馬變換函數，設計定位模型，完成目標定位與測量檢測，但是主要基于商業視覺庫實現，在項目高度定制化的情況下，往往不能達到較好的測量效果。

文章通過對圖像結構進行深入分析，采用軟件編碼技術提取DICOM格式的圖像信息，讓用戶有良好的圖像瀏覽體驗，并可對DICOM圖像進行顯示。同時，在軟件系統框架內實現了圖像測量功能，滿足了DICOM圖像測量業務需求。最后，通過對比實驗來測試文章所提方法的有效性和優勢。

1 DICOM圖像測量系統

針對CT設備采集的影像圖片，文章開發了一個DICOM圖像測量系統。該系統首先實現了DICOM圖像的顯示功能，然后進一步實現了圖像幀的顯示功能。DICOM圖像測量的處理流程如圖1所示。在使用CT設備采集圖像后，首要任務是將原始數據（以.dcm為后綴的裸數據）轉換為使用計算機可分析的圖像數據格式。該圖像測量系統按照功能順序分為圖像顯示、圖像處理、圖像測量和圖像數據保存。

該系統提供的測量服務，完全按照醫院內部業務流程和醫生工作操作習慣，進行全面深入的需求分析，以標準的軟件工程來開發實現的。該系統提供的功能有：各類圖像的導入顯示、圖像基本處理、圖像基本測量以及圖像目標定位。如圖2（a）所示，為采集到原始數據，后續在本系統的處理基礎上，對其中間腹主動脈位置檢測和測量，系統在測量基礎上，提供了數據保存功能，醫生對待診斷圖像進行診斷的同時，需要記錄病人信息，如姓名、年齡、性別等，診斷完畢，需要填寫診斷報告，保存處理后的診斷圖像，報告和圖像路徑需保存到數據庫病人所在記錄的字段中，以備下次提檔案時調出查看。如圖2（b）所示，基于MySQL實現對病人信息的增、刪、改、查，選中某個病人的記錄，打開病人處理后的圖像，即可打開保存好的診斷圖像予以顯示，打開診斷報告，即可打開保存好的診斷報告予以顯示。以上功能，主要基于查找數據庫中該病人所在記錄，提取“圖像路徑”“報告路徑”的字段信息，然后編程實現診斷圖像和診斷報告的顯示功能^[4-5]。

2 DICOM圖像的處理、標注與測量

文章開發的測量系統提供了實用的圖像處理功能，在醫生查看圖像時，往往需要對圖像的某些特征進行標注，比如：角度測量、距離測量、面積測量、文本添加，并且將經過標注的圖像進行保存，即作為診斷后（處理后）的圖像保存。該圖像文件存于本地某文件夾中，圖像保存路徑存于數據庫中該病人記錄所在的字段中。

如圖3所示為各種圖像標注的主要原理。角度測量功能點測量圖像中某目標的角度，在主界面待診斷圖像區域點擊3個點，第1、2點的連線與第2、3點的連線的夾角即為標注的角度。距離測量功能點測量圖像中某目標的距離長度，鼠標兩次選中的點，前者為起點，后者為終點，所在坐標相減，即為測量的距離，單位為像素點。如圖4所示，面積測量功能點測量圖像中某目標的面積，鼠標點擊2次，前者為所選區域左上角坐標，后者為所選區域右下角坐標，所圍區域的像素點即為測量區域的面積。

文章系統使用QT框架作為系統開發框架，使用C++語言作為編碼語言。在DICOM圖像的讀取與顯示方面，采用了DCMTK函數庫，圖像測量分析使用了ITK庫。如圖5所示，系統界面顯示了DICOM圖像，可以對腹主動脈進行操作和顯示。通過與標準腹部參數進行比較，該研究能夠快速定位問題病灶，即右上角的紅色矩形框標注，實現了顯示功能。

在顯示和測量功能的基礎上進行圖像定位，在圖像分割的過程中，有可能會將噪聲或干擾物錯誤地識別為目標，為了解決上述問題，該研究采用了背景標記提取和極小值分水嶺的再分割處理方法^[6]。首先，計算二值圖像的歐式距離^[7-8]：

式（1）為二值圖像的歐式距離變換^[9-10]，生成圖像如下：

在二值圖像中，使用符號A表示白色區域，圖像G中每個坐標上的像素值則表示到最近的非零區域的最小歐氏距離。

在對圖像G應用分水嶺算法進行分割后，得到了分水線，隨后，對分水線進行形態學極小值處理：

分水嶺算法在I^ws上處理，最終得到理想分割結果：

其中，Watershed（）代表標準分水嶺運算。

經過分水嶺算法分割的集成，使該系統具有更強的可用性，在后續實驗中將進一步驗證定位效果。

3實驗結果及分析

文章基于Intel i7處理器、8GB內存，采用QT框架開發DICOM圖像處理測量系統，并針對性能進行驗證。文章設置了兩個對照組，分別為A和B系統，對應于文獻[1]和文獻[2]。文章開發的系統界面如圖6所示，具備CT圖像采集、數據導入、圖像處理、圖像測量和定位等多種功能。該系統采用了標準化的軟件開發流程，通過后臺軟件代碼處理，將復雜的業務流程轉化為只需要通過簡單的操作系統界面接口即可完成的操作。盡管文中圖像測量系統的業務流程較為復雜，但其界面設計卻簡單易用。

以圖6中間視圖中顯示的圖像為CT設備采集的DICOM圖像。利用文章技術、A組與B組技術來測量圖6中的DICOM腹部圖像中的問題病灶區域，結果如圖7～圖9所示。文章采用免費開源視覺庫ITK，深度結合系統業務流程和DICOM數據格式，根據系統顯示的結果，可以準確定位出腹部病灶區域^[11]，如圖7所示，以紅色矩形框準確定位腹主動脈位置。A組技術對圖像脫敏處理，基于Python實現CT圖像批處理系統，基于PyQt實現可視化界面效果，解決了一些測量問題，但是缺乏軟件工程可用性，往往不能應用于實際使用場景中，如圖8所示，定位測量未成功。B組技術，采用C/S模式開發了一個數字化軟件，完成醫院影像數據存儲、處理測量，在一般情況下測量效果較好，但是系統基于幾何測量算法，往往缺乏靈活性，且缺乏推廣性，如圖9所示，定位效果不突出，在不準確的定位基礎上，測量結果當然不正確。

4結語

為了提高CT設備采集的DICOM圖像測量的準確性，以提供智能輔助診斷和檢測所需的基礎測量數據，文章設計和開發了一種基于輪廓檢測和目標定位的DICOM圖像測量系統。該系統通過將QT編程、DCMTK三維化顯示數據、DICOM數據結構解析和ITK圖像目標定位等技術有機結合，成功構建了一個DICOM圖像顯示和測量系統。經過詳細對比和驗證，結果顯示，文章所開發的DICOM圖像測量系統在圖像測量方面表現出更優異的效果，顯著提高了DICOM圖像測量的準確性和可靠性。

文章將進一步開展DICOM圖像智能輔助診斷研究工作，運用深度學習模型，對CT圖像的各類特征進行分析，對腹部疾病的種類和病情嚴重程度進行初步評估，為醫生對患者疾病的診斷提供輔助手段和幫助，提高腹部疾病診斷的準確性和效率。通過此舉，使醫生將寶貴的時間和精力更多地專注于解決疑難雜癥的診斷，從而推動醫療技術的發展。

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DICOM Image Measurement System Based on

Contour Detection and Target Location

ZHAO Weidong¹，CHENG Maojun²

（1.Information Engineering College，chuzhou polytechnic；2.Department of Radiology，

The First Peoples Hospital of Chuzhou，Chuzhou， Anhui 239000，China）

ABSTRACT In response to the issue of inaccurate measurement of image targets due to the complexity of DICOM images， this paper had developed corresponding algorithms for target localization and distance measurement based on three-dimensional image data. This had led to the design of a method that utilizes contour detection and target localization to analyze and measure DICOM images.Firstly， the raw image data was obtained through a CT device， and the structural features of the raw data are analyzed. The open-source image library ITK was used to parse DICOM images， reading them into the memory of the system software and displaying them on a self-developed software interface.Next， contour detection was performed on the DICOM images to identify the frames containing the targets. Subsequently， a localization model was designed by combining the watershed algorithm and the level set segmentation algorithm to achieve target localization and measurement， with the output of localized image results.Finally， the measurement and localization algorithms， along with the corresponding software functionality，were implemented using the QT development platform. Test results demonstrated that the method proposed in this paper exhibited higher measurement and localization accuracy compared to current DICOM image measurement techniques.

KEY WORDS contour detection； DICOM image； watershed； distance measurement； ITK

（責任編輯 寧梵西）